DE3843280A1 - Method and device for electrical current measurement - Google Patents

Method and device for electrical current measurement

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Abstract

The method is used for electrical current measurement, especially for measuring a temporally varying small current. The current to be measured is subjected by a control system to an opposite-polarity compensation current having approximately the same magnitude, the magnitude of the current to be measured being determined according to the compensation current and the measured current. A reverse-biased photodiode (15) is used for controlling the compensation current, which photodiode is controlled by an amplitude-modulated and frequency-modulated light source (14). In addition to the optical decoupling, which is achieved thereby, of the control loop this method has the advantage that, because of the linearity of the optoelectrical coupling component (14, 15), a linear measurement range of nine decades can be achieved, without it being necessary to have external changeover of the measurement range. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur elektrischen Strom­ messung, insbesondere zur Messung eines sich zeitlich ändern­ den kleinen Stroms, bei dem der zu messende Strom über eine Regelung mit einem gegenpoligen Kompensationsstrom beauf­ schlagt wird und bei dem die Größe des zu messenden Stroms aus dem Kompensationsstrom und dem gemessenen Strom ermit­ telt wird.The invention relates to a method for electrical current measurement, especially to measure a change over time the small current at which the current to be measured has a Control with an opposite pole compensation current is struck and the size of the current to be measured from the compensation current and the measured current is communicated.

Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur elek­ trischen Strommessung, insbesondere zur Ausführung des oben genannten Verfahrens, gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 3.Furthermore, the invention relates to a device for elec trical current measurement, especially to perform the above mentioned method, according to the features of the preamble of claim 3.

Es sind zahlreiche Verfahren und entsprechende Vorrichtungen zur elektrischen Strommessung, insbesondere zur Messung niedrigster Ströme im Bereich von beispielsweise 10-12 Ampere bekannt, die zuverlässig und genau arbeiten. Allen diesen Verfahren gemeinsam ist jedoch der beschränkte Meß­ bereich von maximal 5 bis 6 Dekaden. In der Praxis bedeutet dies, daß bei Strommessungen, die einerseits eine hohe Emp­ findlichkeit im Bereich niedrigster Ströme und andererseits auch die Erfassung größerer Ströme erfordern, eine entweder manuelle, elektromechanische oder elektronische Umschaltung des linearen Meßbereichs erforderlich ist. Numerous methods and corresponding devices for electrical current measurement, in particular for measuring the lowest currents in the range of, for example, 10 -12 amperes, are known which work reliably and precisely. Common to all of these methods, however, is the limited measuring range of a maximum of 5 to 6 decades. In practice, this means that for current measurements that on the one hand require a high level of sensitivity in the area of the lowest currents and on the other hand also the detection of larger currents, either manual, electromechanical or electronic switching of the linear measuring range is required.

Bei den heute bekannten Strommeßgeräten ist der Meßbereich konstruktionsbedingt auf maximal 6 Dekaden begrenzt. Für Messungen, die über diesen Dynamikbereich, z. B. zu größeren Strömen hinausgehen, muß eine Umschaltung innerhalb des Geräts vorgenommen werden, nach der dann zwangsläufig die danach wieder auftretenden kleinsten Meßströme nicht mehr erfaßbar sind, da eine erneute Meßbereichsumschaltung ent­ weder nicht automatisch erfolgt oder aber zu ungenau ist, um auch schnelle Stromänderungen über mehr als 6 Dekaden zuver­ lässig und reproduzierbar genau zu erfassen.In the current measuring devices known today, the measuring range is limited by construction to a maximum of 6 decades. For Measurements over this dynamic range, e.g. B. to larger ones Go beyond the currents, a switch within the Device are made, after which the afterwards the smallest measuring currents no longer appear are detectable since a new measuring range switch ent is not done automatically or is too imprecise to also fast current changes over more than 6 decades casual and reproducible to record exactly.

Es sind analoge Meßgeräte bekannt, bei denen der zu messende Strom dem Eingang eines Operationsverstärkers zugeführt ist, wobei die am Ausgang anliegende Spannung gemessen wird. Diese Spannung ist proportional zu dem zu messenden Strom. Da jedoch Operationsverstärker nur über maximal 6 Dekaden linear arbeiten, ist bei diesen Geräten der Meßbereich zu­ nächst auf 6 Dekaden begrenzt, eine Erweiterung kann ggf. nur durch Umschaltung erfolgen, wobei dann jedoch ein unte­ rer oder oberer Meßbereich nicht mehr erfaßt werden kann, da die Meßdynamik von 6 Dekaden hierdurch nicht verändert wird.Analog measuring devices are known in which the one to be measured Current is supplied to the input of an operational amplifier, the voltage present at the output is measured. This voltage is proportional to the current to be measured. However, since operational amplifiers only last for a maximum of 6 decades work linearly, the measuring range is closed with these devices next limited to 6 decades, an extension may only by switching, but then a bottom the upper or upper measuring range can no longer be detected, since this does not change the measuring dynamics of 6 decades becomes.

Es sind analoge Strommeßgeräte - diese Geräte sind nur zum Messen von sich langsam ändernden Strömen geeignet - bekannt, die den Meßbereich dadurch erweitern, daß eine selbsttätige Umschaltung durch automatisches Umschalten der Rückkopplungs­ widerstände des Eingangsverstärkers mit Hilfe von Relaiskon­ takten erfolgt. Der Nachteil dieser mechanischen Umschaltung ist jedoch, daß die Relaiskontakte bei längerem Gebrauch ihren Übergangswiderstand ändern, wodurch die Messung un­ genau wird.There are analog current measuring devices - these devices are only suitable for measuring slowly changing currents - known, which expand the measuring range in that an automatic switchover by automatic switching of the feedback resistances of the input amplifier takes place with the help of relay contacts. The disadvantage of this mechanical switchover, however, is that the relay contacts change their contact resistance with prolonged use, which makes the measurement inaccurate.

Es sind weiterhin digitale Meßgeräte bekannt, bei denen das am Ausgang des Operationsverstärkers anliegende Span­ nungssignal einem Spannungsfrequenzkonverter zugeführt wird. Das Ausgangssignal des Spannungsfrequenzkonverters wird dann einem digitalen Zähler übermittelt, so daß der Meßwert als digitales Signal zur Verfügung steht, wobei die Frequenz linear proportional zur Stromstärke des zu messenden Stroms ist. Diese nach der Spannungsfrequenzwandlermethode arbei­ tenden digitalen Meßgeräte sind im Bereich sehr kleiner Ströme bzw. Spannungen mit größeren Fehlern behaftet, insbe­ sondere bei kurzen Meß- und Integrationszeiten. Sie sind daher nicht geeignet, sich zeitlich ändernde kleinste Ströme mit der genügenden Genauigkeit zu erfassen. Dieser Nachteil wurde zwar durch eine über Rückkopplung des Verstärkers gesteuerte Dezimalkommaverschiebung der Frequenzzähler zu beheben versucht, was jedoch nicht zum Erfolg führte. Ein nach diesem Verfahren arbeitendes Gerät wies Meßfehler im Bereich von 50 bis 100% bei der Messung niedrigster Ströme von beispielsweise 10-12 Ampere auf, so daß der angestrebte maximale Meßbereich von 8 Dekaden linear praktisch nicht erreicht wurde.Digital measuring devices are also known in which the voltage signal present at the output of the operational amplifier is fed to a voltage frequency converter. The output signal of the voltage frequency converter is then transmitted to a digital counter, so that the measured value is available as a digital signal, the frequency being linearly proportional to the current strength of the current to be measured. These working according to the voltage frequency converter method tend digital measuring devices in the range of very low currents or voltages with larger errors, in particular special with short measurement and integration times. They are therefore not suitable for detecting the smallest currents that change over time with sufficient accuracy. An attempt was made to remedy this disadvantage by means of a decimal point shift of the frequency counters controlled by feedback of the amplifier, but this did not lead to success. A device operating according to this method had measurement errors in the range from 50 to 100% when measuring the lowest currents of, for example, 10 -12 amperes, so that the desired maximum measurement range of 8 decades was practically not achieved linearly.

Ein weiterer Nachteil dieser digitalen Meßgeräte mit hoher linearer Meßdynamik besteht darin, daß sie eine komplizierte Schaltungstechnik mit zahlreichen Spezialbauteilen aufwei­ sen, die zum einen sehr teuer und zum anderen auch alterungs­ anfällig sind, so daß die Geräte sehr häufig wieder kali­ briert werden müssen.Another disadvantage of these digital measuring devices with high linear dynamic measurement is that it is a complicated Circuit technology with numerous special components sen, on the one hand very expensive and on the other hand also aging are susceptible, so that the devices very often again kali must be burned.

Es sind weiterhin Verfahren zur Strommessung bekannt, bei denen der zu messende Strom durch einen gegenpoligen, von einer Regelung erzeugten Ausgleichsstrom kompensiert wird, so daß auch bei verhältnismäßig großen zu messenden Strömen stets nur ein sehr kleiner Strom am Eingang anliegt. Diese Verfahren eignen sich jedoch nur für Strommessungen im Be­ reich von maximal 7 Dekaden, da ein größerer Dynamikbereich durch das dann nicht mehr lineare Verhalten der eingesetzten Bauteile technisch nicht erreichbar ist. Ein weiterer Nach­ teil dieser mit einer Regelschleife arbeitenden Meßverfahren ist die elektrische Rückkopplung über den Kompensationsstrom, was regelmäßig zu Schwierigkeiten führt.Methods for current measurement are also known for which the current to be measured through an opposite pole, from compensation current generated by a control system is compensated, so that even with relatively large currents to be measured there is always only a very small current at the input. These However, methods are only suitable for current measurements in the Be rich of a maximum of 7 decades because of a larger dynamic range through the then no longer linear behavior of the used Components cannot be reached technically. Another after part of this measuring process working with a control loop is the electrical feedback via the compensation current, which regularly leads to difficulties.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur elektrischen Strommessung zu schaffen, das die vorgeschilderten Nachteile vermeidet und auf zuverlässi­ ge Weise eine Strommessung über einen größeren linearen Meßbereich ohne externe Umschaltung ermöglicht. Deswei­ teren soll eine entsprechende Strommeßvorrichtung geschaffen werden, die bei einfachem Aufbau über einen vergleichsweise großen linearen Meßbereich mit hoher Genauigkeit arbeitet.Proceeding from this, the object of the invention is to create a method for electrical current measurement that avoids the disadvantages outlined and on reliably way a current measurement over a larger linear Measuring range without external switchover enabled. Because teren should create a corresponding current measuring device be comparatively simple large linear measuring range works with high accuracy.

Der verfahrensmäßige Teil dieser Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Anspruch 3 kennzeichnet die vorrichtungsmäßige Ausbildung eines nach diesem Verfahren arbeitenden Strommeßgeräts.The procedural part of this task is performed by the Features of claim 1 solved. Claim 3 characterizes the device-based training according to this procedure working ammeter.

Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht eine exakte und digi­ tale Strommessung im linearen Bereich von 9 Dekaden, ohne daß eine externe Bereichsumschaltung oder -vorwahl erforder­ lich ist. Dies wird im wesentlichen dadurch erreicht, daß die Rückkopplung der Regelschleife durch eine amplituden- und frequenzmodulierte Lichtquelle einerseits und eine Foto­ diode andererseits erfolgt, die über einen Bereich von 9 Dekaden linear arbeiten und zugleich den erheblichen Vorteil der elektrischen Entkopplung der Regelungsschleife bieten. Diese Bauteile sind zudem günstig in der Anschaffung und robust in der Anwendung, so daß auch die sichere Langzeit­ funktion gewährleistet ist.The solution according to the invention enables an exact and digi tale current measurement in the linear range of 9 decades, without that an external range switching or preselection is required is. This is essentially achieved in that the feedback of the control loop by an amplitude and frequency-modulated light source on the one hand and a photo diode, on the other hand, takes place over a range of 9 Decades work linearly and at the same time the considerable advantage offer the electrical decoupling of the control loop. These components are also inexpensive to buy and robust in use, so that also the safe long-term function is guaranteed.

Vorteilhaft werden als Lichtquelle eine oder mehrere Leucht­ dioden eingesetzt. Zweckmäßigerweise werden die beiden op­ tischen Bauteile (Leuchtdiode und Fotodiode) in einem ge­ meinsamen Gehäuse mit zueinander festgelegtem Abstand einge­ baut, ggf. vergossen (Anspruch 2).One or more lights are advantageous as the light source diodes used. The two op table components (light emitting diode and photodiode) in one ge common housing with a fixed distance to each other builds, if necessary shed (claim 2).

Da bei der Vorrichtung nach Anspruch 3 die Kompensation des zu messenden Stroms durch Impulsströme der Fotodiode er­ folgt, ist es zweckmäßig, dem Stromspannungswandler ein Integrationsglied aufzuschalten. Dieses Integrationsglied kann in einfacher Weise durch einen parallel zum Stromspan­ nungswandler geschalteten Kondensator gebildet werden, wie es Anspruch 4 lehrt.Since in the device according to claim 3, the compensation of current to be measured by pulse currents of the photodiode follows, it is appropriate to the current-voltage converter Integrating link. This integration link  can be done in a simple way by a parallel to the span voltage converter switched capacitor are formed, such as it teaches claim 4.

Es ist von Vorteil, wenn der Mikroprozessor gemäß Anspruch 5 sowohl Zähl- als auch Speicherfunktionen beinhaltet, da dann mit nur einem Bauteil sowohl die Amplitudenansteuerung des Frequenzstromwandlers als auch die Meßwertauswertung erfol­ gen kann. Die Zählfunktion ist erforderlich zur Auswertung des Ausgangssignals des Spannungsfrequenzkonverters, also zur Bestimmung der Größe des gerade gemessenen Stroms am Eingang des Stromspannungswandlers. Da jedoch der zu messen­ de Strom aufgrund der Regelung durch die Fotodiode gegen Null kompensiert wird, ist es erforderlich, daß der Mikro­ prozessor mindestens einen Speicher aufweist, der die Größe des kompensierten Teils des zu messenden Stroms erfaßt, so daß aus den aktuellen Daten von Speicher und Zähler die momentane Größe des zu messenden Stroms ermittelt werden kann.It is advantageous if the microprocessor according to claim 5 includes both counting and storage functions since then with only one component both the amplitude control of the Frequency converter as well as the measurement evaluation can. The counting function is required for evaluation the output signal of the voltage frequency converter, that is to determine the size of the current just measured on Input of the voltage converter. However, since the measure de Current due to the regulation by the photodiode Is compensated for zero, it is necessary that the micro processor has at least one memory that is the size of the compensated part of the current to be measured, so that the current data from memory and counter current size of the current to be measured can be determined can.

Vorteilhaft werden als Lichtquelle eine oder mehrere Leucht­ dioden eingesetzt (Anspruch 6). Dieses Bauteil hat den Vor­ teil, daß es billig in der Anschaffung, robust und alterungs­ beständig ist. Desweiteren sind die geringe Baugröße und die hohe Lebensdauer hervorzuheben.One or more lights are advantageous as the light source diodes used (claim 6). This component has the intent part that it is inexpensive to purchase, robust and aging is stable. Furthermore, the small size and the to emphasize long service life.

Um auch im Bereich sehr kleiner Ströme, beispielsweise 10-12 Ampere noch zuverlässig messen zu können, muß der Strom­ spannungswandler sehr empfindlich und zugleich rauscharm arbeiten, was vorteilhaft durch einen mit Feldeffekttransi­ storen aufgebauten Operationsverstärker erreicht wird (An­ spruch 7).In order to be able to reliably measure even in the range of very small currents, for example 10 -12 amperes, the current-voltage converter must work very sensitively and at the same time with little noise, which is advantageously achieved by an operational amplifier constructed with field-effect transistors (claim 7).

Um eine direkte digitale Verarbeitung des vom Spannungsfre­ quenzkonverter ausgehenden Signals zu ermöglichen, ist die­ ser gemäß Anspruch 8 zweckmäßig so aufzubauen, daß dem eigentlichen Spannungsfrequenzwandler ein Impulsformer nach­ geschaltet ist. Dieser bereitet das Frequenzsignal des Span­ nungsfrequenzwandlers zu einem entsprechenden Impulssignal auf, wobei die Impulse konstante Breite und Amplitude auf­ weisen und sich entsprechend der jeweiligen Frequenz in ihrem Abstand zueinander unterscheiden.For direct digital processing of the voltage fre To enable outgoing signal sequence converter is the ser expedient to build according to claim 8 so that the actual voltage frequency converter a pulse shaper after  is switched. This prepares the frequency signal of the chip voltage frequency converter to a corresponding pulse signal on, with the pulses of constant width and amplitude point and according to the respective frequency in distinguish their distance from each other.

Dieses Impulssignal kann dann direkt an den Frequenzstrom­ wandler weitergeleitet werden, so lange, bis die Impulsfolge einen höchstzulässigen Wert überschreitet. Dieser höchstzu­ lässige Wert ist durch den linearen Arbeitsbereich des Span­ nungsfrequenzkonverters bzw. des vorgeschalteten Stromspan­ nungswandlers gegeben, falls der lineare Arbeitsbereich des Stromspannungswandlers kleiner ist als der des Spannungs­ frequenzkonverters. Der Mikroprozessor ist gemäß Anspruch 9 daher zweckmäßigerweise so auszulegen, daß er das Impuls­ signal des Impulsformers nach Erreichen dieses Grenzwerts zusätzlich amplitudenmoduliert, so daß der Frequenzstrom­ wandler derart angesteuert wird, daß dann die Stromstärke im Ausgangsstromkreis des Frequenzstromwandlers erhöht wird. Durch diese vorteilhafte Ansteuerung des Frequenzstromwand­ lers ist es möglich, die im Ausgangsstromkreis des Frequenz­ stromwandlers angeordnete Leuchtdiode so anzusteuern, daß die Linearität des optischen Kopplungsglieds über volle neun Dekaden ausgenutzt wird, wodurch ein Meßbereich von neun Dekaden erreicht wird.This pulse signal can then be sent directly to the frequency current converters are forwarded until the pulse train exceeds a maximum permissible value. This most casual value is due to the linear working range of the chip voltage frequency converter or the upstream voltage voltage converter if the linear working range of the voltage converter is smaller than that of the voltage frequency converter. The microprocessor is according to claim 9 therefore expediently to be interpreted as the momentum signal of the pulse shaper after reaching this limit additionally amplitude modulated so that the frequency current converter is controlled so that the current in Output circuit of the frequency converter is increased. This advantageous control of the frequency current wall lers it is possible in the output circuit of the frequency to control current transformer arranged LED so that the linearity of the optical coupling member over a full nine Decades is exploited, resulting in a measuring range of nine Decades is reached.

Zur Erkennung der vorbestimmten höchstzulässigen Impulsfolge weist der Mikroprozessor gemäß Anspruch 10 vorteilhaft einen Frequenzbandwächter auf, der bei Über- und Unterschreiten einer zulässigen Impulszahl pro Zeiteinheit (Frequenzband) den Mikroprozessor entsprechend ansteuert, damit dieser die zusätzliche Amplitudenmodulation umschaltet und diesen Zustand bei der Ermittlung des zu messenden Stroms berück­ sichtigt.To identify the predetermined maximum permissible pulse sequence the microprocessor advantageously has a Frequency band monitor on when exceeding and falling below a permissible number of pulses per unit of time (frequency band) controls the microprocessor accordingly, so that this switches the additional amplitude modulation and this State when determining the current to be measured inspects.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachfolgend anhand eines Blockschaltbilds und verschiedener Signalbilder näher erläutert. Es zeigen:An embodiment of the invention is shown below a block diagram and various signal images closer explained. Show it:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Strommeßgeräts und Fig. 1 is a block diagram of an ammeter and

Fig. 2a bis 2c Signalschaubilder, die den zeitlichen Signalver­ lauf an den in Fig. 1 mit a, b und c gekenn­ zeichneten Punkten darstellen. Figure 2a represent. 2c to signal diagrams running the temporal Signalver to the drawn in FIG. 1 a, b and c marked in dots.

Das in Fig. 1 dargestellte Blockschaltbild zeigt den Aufbau einer Strommeßvorrichtung, die im wesentlichen aus fünf Baugruppen, nämlich einem Stromspannungswandler 1, einem Spannungsfrequenzkonverter 2, einem Mikroprozessor 3, einem Frequenzstromwandler 4 und einem elektrooptisch arbeitenden Kopplungsglied 5 aufgebaut ist.The block diagram shown in Fig. 1 shows the structure of a current measuring device which is essentially composed of five modules, namely a current-voltage converter 1 , a voltage-frequency converter 2 , a microprocessor 3 , a frequency-current converter 4 and an electro-optically operating coupling element 5 .

Der zu messende Strom, der über den mit 6 gekennzeichneten Eingang der Meßvorrichtung anliegt, gelangt über die Leitung 7 zum Eingang des Stromspannungswandlers 1. Der Stromspan­ nungswandler 1 weist einen aus Feldeffekttransistoren aufge­ bauten Operationsverstärker auf, dessen Ausgang über eine Leitung 8 mit dem Eingang des Spannungsfrequenzkonverters 2 verbunden ist. Parallel zum Stromspannungswandler 1 ist zwischen dessen Ein- und Ausgang ein Integrationsglied in Form eines Kondensators 9 geschaltet. Dieser Kondensator 9 ist einerseits mit der Leitung 7 und andererseits mit der Leitung 8 verbunden.The current to be measured, which is present at the input of the measuring device identified by 6 , reaches the input of the current-voltage converter 1 via line 7 . The current-voltage converter 1 has an operational amplifier constructed from field-effect transistors, the output of which is connected via a line 8 to the input of the voltage frequency converter 2 . In parallel to the current-voltage converter 1 , an integration element in the form of a capacitor 9 is connected between its input and output. This capacitor 9 is connected on the one hand to line 7 and on the other hand to line 8 .

Der Spannungsfrequenzkonverter 2 besteht aus dem eigent­ lichen Spannungsfrequenzwandler 2 a und einem nachgeschalte­ ten Impulsformer 2 b. Der Spannungsfrequenzwandler erzeugt entsprechend der am Eingang anliegenden Spannung ein Fre­ quenzsignal, wobei die Frequenz proportional zur anliegenden Spannung ist. Um dieses Signal digital weiterverarbeiten zu können, ist dem Spannungsfrequenzwandler 2 a ein Impuls­ former 2 b nachgeschaltet, der das Frequenzsignal in ein Impulssignal dergestalt umwandelt, daß am Ausgang des Impuls­ formers 2 b Rechteckimpulse konstanter Amplitude und Breite, jedoch mit unterschiedlichem Abstand anliegen, wobei die Anzahl der Impulse pro Zeiteinheit proportional zur am Ein­ gang anliegenden Frequenz ist. Dieses anhand von Fig. 2c veranschaulichte Impulssignal wird über eine Leitung 10 dem Mikroprozessor 3 zugeführt.The voltage-frequency converter 2 consists of the union Eigent voltage frequency converter 2 a and a nachgeschalte th pulse shaper 2 b. The voltage frequency converter generates a frequency signal in accordance with the voltage present at the input, the frequency being proportional to the voltage present. In order to further process this signal digital, the voltage-frequency converter 2 a, a pulse transformer 2 is connected downstream of b, the thus the frequency signal into a pulse signal converts, that at the output of the pulse shaper 2b rectangular pulses of constant amplitude and width, but lie at different distances, wherein the number of pulses per unit of time is proportional to the frequency at the input. This pulse signal illustrated with reference to FIG. 2 c is fed to the microprocessor 3 via a line 10 .

Der in Fig. 1 mit 3 gekennzeichnete Mikroprozessor weist u.a. einen Frequenzbandwächter 3 a, einen Impulszähler 3 b und einen Speicher 3 c auf.The microprocessor identified by 3 in FIG. 1 has, among other things, a frequency band monitor 3 a , a pulse counter 3 b and a memory 3 c .

Der Mikroprozessor 3 weist einen Ausgang 11 auf, über den der ermittelte Meßwert als digitales Signal anliegt. Hieran kann beispielsweise eine optische Anzeige oder ein geeig­ netes Gerät zur Meßwerterfassung bzw. -weiterverarbeitung angeschlossen sein.The microprocessor 3 has an output 11 , via which the measured value determined is present as a digital signal. An optical display or a suitable device for data acquisition or further processing can be connected to this, for example.

Ober die Steuerleitung 12 ist der Mikroprozessor 3 mit dem Eingang des Frequenzstromwandlers 4 verbunden, in dessen Ausgangsstromkreis 13 eine Leuchtdiode 14 liegt, die einen Teil des Kopplungsglieds 5 bildet. Die Leuchtdiode 14 ist optisch mit einer Fotodiode 15 gekoppelt, die den anderen Teil des Kopplungsglieds 5 bildet.The microprocessor 3 is connected via the control line 12 to the input of the frequency current converter 4 , in whose output circuit 13 there is a light-emitting diode 14 which forms part of the coupling element 5 . The light-emitting diode 14 is optically coupled to a photodiode 15 , which forms the other part of the coupling element 5 .

Die Fotodiode 15 ist über die Leitung 18 mit der Leitung 7 und somit dem Eingang 6 und über die Leitung 17 mit Masse 16 verbunden. Der Eingang 6 ist somit über die Fotodiode 15 zur Masse 16 hin kurzgeschlossen, wobei die Diode, wie in Fig. 1 dargestellt, in Sperrichtung betrieben ist, so daß in der Leitung 17, 18 nur dann ein Kompensationsstrom fließt, wenn die Diode 15 durch Lichteinfall angesteuert wird. Diese Ansteuerung erfolgt wie vorbeschrieben durch die Leuchtdiode 14. The photodiode 15 is connected via line 18 to line 7 and thus to input 6 and via line 17 to ground 16 . The input 6 is thus short-circuited to ground 16 via the photodiode 15 , the diode, as shown in FIG. 1, being operated in the reverse direction, so that a compensation current only flows in the line 17 , 18 when the diode 15 is through Incidence of light is controlled. This control takes place as described above by the light-emitting diode 14 .

Die in Fig. 2 und a, b und c dargestellten Diagramme kenn­ zeichnen den zeitlichen Signalfluß innerhalb der Schaltungs­ anordnung, und zwar Diagramm a innerhalb der Leitung 7, Diagramm b innerhalb der Leitung 8 und Diagramm c innerhalb der Leitung 10.The diagrams shown in FIGS. 2 and a, b and c mark the temporal signal flow within the circuit arrangement, specifically diagram a within line 7 , diagram b within line 8 and diagram c within line 10 .

Sobald ein zu messender Strom über den Eingang 6 durch den Stromspannungswandler zur Masse 16 fließt, wird durch den Operationsverstärker innerhalb des Wandlers 1 eine propor­ tionale Spannung erzeugt, die am Ausgang des Wandlers 1 anliegt. Dieses Spannungssignal wird durch den parallelge­ schalteten Kondensator 9 zeitlich integriert, so daß ent­ sprechend des in Fig. 2a im zeitlichen Verlauf dargestell­ ten Stroms die in Fig. 2b im zeitlichen Verlauf dargestell­ te Spannung erzeugt wird. Über die Leitung 8 gelangt dann dieses Spannungssignal (siehe Fig. 2b) zum Spannungsfre­ quenzkonverter 2, der entsprechend dem Spannungssignal zu­ nächst innerhalb des Spannungsfrequenzwandlers 2 a ein Frequenzsignal erzeugt. Die Frequenz dieses Signals ist proportional der am Eingang anliegenden Spannung. Das Fre­ quenzsignal wird in dem darauffolgenden Impulsformer zu dem anhand von Fig. 2c dargestellten Impulssignal verarbeitet, das aus Rechteckimpulsen konstanter Amplitude und konstanter Breite aufgebaut ist. Die Anzahl der Impulse pro Zeiteinheit ist dabei proportional zur Frequenz des am Ausgang des Span­ nungsfrequenzwandlers 2 a anstehenden Frequenzsignals.As soon as a current to be measured flows via the input 6 through the current-voltage converter to ground 16 , a proportional voltage is generated by the operational amplifier within the converter 1 , which voltage is present at the output of the converter 1 . This voltage signal is integrated in time by the capacitor 9 connected in parallel, so that accordingly the current shown in FIG. 2a over time, the voltage shown in FIG. 2b over time is generated. Via line 8 then passes this voltage signal (see Fig. 2b) for Spannungsfre quenzkonverter 2 which generates the voltage signal corresponding to the next within the voltage-frequency converter 2 a a frequency signal. The frequency of this signal is proportional to the voltage at the input. The frequency signal is processed in the subsequent pulse shaper to form the pulse signal shown in FIG. 2c, which is made up of rectangular pulses of constant amplitude and constant width. The number of pulses per unit of time is proportional to the frequency of the frequency signal pending at the output of the voltage frequency converter 2 a .

Dieses Impulssignal wird über die Leitung 10 zum Mikropro­ zessor 3 übertragen, der das Impulssignal einerseits zur Auswertung des Meßergebnisses weiterverarbeitet und anderer­ seits ggf. zusätzlich amplitudenmoduliert über die Steuer­ leitung 12 zum Frequenzstromwandler 4 weiterleitet. Im Fre­ quenzstromwandler 4 wird entsprechend der Impulsfrequenz und der Amplitudenmodulation des Mikroprozessors 3 ein Impuls­ strom erzeugt, der die Leuchtdiode 14 ansteuert. Die von der Leuchtdiode 14 ausgehenden Lichtimpulse treffen auf die Fotodiode 15 auf, wodurch diese jeweils während der Impuls­ dauer entsprechend der Impulsstärke einen Strom erzeugt, wodurch der zwischen dem Eingang 6 und der Masse 16 fließen­ de zu messende Strom intervallweise kompensiert wird. Die Fotodiode 15 ist dabei so angesteuert, daß durch die Kurz­ schlußleitungen 18 und 17 ein Kompensationsstrom fließt, der etwa dem zu messenden Strom entspricht, jedoch umgekehrte Polarität aufweist, so daß der zu messende Strom im Ideal­ fall zu Null kompensiert wird.This pulse signal is transmitted via line 10 to the microprocessor 3 , which on the one hand further processes the pulse signal for evaluating the measurement result and, on the other hand, if necessary additionally also transmits amplitude modulation via the control line 12 to the frequency current converter 4 . In Fre quenzstromwandler 4 , a pulse current is generated according to the pulse frequency and the amplitude modulation of the microprocessor 3 , which drives the LED 14 . The light pulses emanating from the light-emitting diode 14 strike the photodiode 15 , whereby these each generate a current during the pulse corresponding to the pulse strength, whereby the current flowing between the input 6 and the mass 16 is compensated for at intervals. The photodiode 15 is driven so that through the short-circuit lines 18 and 17 a compensation current flows, which corresponds approximately to the current to be measured, but has reverse polarity, so that the current to be measured is ideally compensated for zero.

Da die Fotodiode 15 entsprechend der impulsweisen Ansteuerung durch die Leuchtdiode 14 nicht kontinuierlich sondern ent­ sprechend der Impulsfolge und Impulsamplitude angesteuert wird, entsteht ein gepulster Kompensationsstrom. Dies wird ebenfalls durch den Kondensator 9 als Integrationsglied ausgeglichen.Since the photodiode 15 is driven according to the pulse-wise control by the LED 14 not continuously but accordingly the pulse train and pulse amplitude, a pulsed compensation current is produced. This is also compensated for by the capacitor 9 as an integration element.

Da der Stromspannungswandler 1 und der Spannungsfrequenzkon­ verter 2 über etwa sechs Dekaden linear arbeiten, ist inner, halb des Mikroprozessors 3 eine Steuerung mit einem Frequenz­ bandwächter 3 a vorgesehen, die bei Erreichen einer bestimm­ ten Anzahl von Impulsen pro Zeiteinheit den Frequenzstrom­ wandler 4 zusätzlich amplitudenmodulierend ansteuert, so daß bei Erreichen dieses Grenzwerts die Stromstärke innerhalb der Leuchtdiode 14 ansteigt, wodurch die Lichtemission er­ höht wird und die Fotodiode 15 zur Kompensation des über den Bereich von sechs Dekaden hinausgehenden Meßbereichs ange­ steuert wird. Desweiteren weist der Mikroprozessor 3 einen Speicher 3 c auf, der das zusätzliche Einschalten der Ampli­ tudenmodulation registriert und dies bei der Berechnung des Meßwerts berücksichtigt. Die Impulsfrequenz wird mittels eines Impulszählers 3 b ermittelt. Der Meßwert steht am Aus­ gang 11 in digitalisierter Form an. Since the current-voltage converter 1 and the voltage-frequency converter 2 operate linearly over approximately six decades, within the microprocessor 3 a controller with a frequency bandwächter 3 a is provided which, when a certain number of pulses per unit of time, the frequency-current converter 4 is additionally amplitude-modulating drives so that when this limit value is reached, the current increases within the light-emitting diode 14 , whereby the light emission is increased and the photodiode 15 is controlled to compensate for the measuring range going beyond the range of six decades. Furthermore, the microprocessor 3 has a memory 3 c , which registers the additional switching on of the amplitude modulation and takes this into account when calculating the measured value. The pulse frequency is determined by means of a pulse counter 3 b . The measured value is pending at output 11 in digitized form.

Da das elektrooptische Kopplungsglied 5 im Bereich von etwa neun Dekaden linear arbeitet, kann mit der vorliegenden stufenweisen Ansteuerung des Frequenzstromwandlers (erste Stufe Frequenzmodulation, zweite Stufe Amplitudenmodulation) der über die Fotodiode 15 fließende Kompensationsstrom auch über neun Dekaden exakt gesteuert werden. Hierdurch wird bei großem Meßbereich eine hohe Auflösung erreicht, so daß mit der Meßvorrichtung Ströme im Bereich von beispielsweise 10-12 bis 10-3 Ampere meßbar sind, ohne daß eine Meßbe­ reichsumschaltung erfolgen muß.Since the electro-optical coupling element 5 operates linearly in the range of approximately nine decades, the present step-by-step control of the frequency current converter (first step frequency modulation, second step amplitude modulation) allows the compensation current flowing via the photodiode 15 to be precisely controlled over nine decades. As a result, a high resolution is achieved with a large measuring range, so that currents in the range of, for example, 10 -12 to 10 -3 amperes can be measured with the measuring device without a measuring range switching.

Claims (10)

1. Verfahren zur elektrischen Strommessung, insbesondere zur Messung eines sich zeitlich ändernden kleinen Stroms, bei dem der zu messende Strom über eine Regelung mit einem gegen­ poligen Kompensationsstrom beaufschlagt wird, wobei die Größe des zu messenden Stroms entsprechend dem Kompensations­ strom und dem gemessenen Strom ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensation durch eine in Sperrichtung betriebene Fotodiode (15) erfolgt, die den zu messenden Strom in Abhängigkeit einer dieser zugeordneten amplituden- und frequenzmodulierten Lichtquelle (14) mit einem Gegenstrom etwa gleicher Größe beaufschlagt, wobei die Amplituden- und Frequenzmodulation der Lichtquelle (14) von der Regelung (3) gesteuert wird.1. Method for electrical current measurement, in particular for measuring a time-changing small current, in which the current to be measured is acted upon by a compensation current with a polarity compensation, the size of the current to be measured being determined in accordance with the compensation current and the measured current is characterized in that the compensation is carried out by a photodiode ( 15 ) operated in the reverse direction, which acts on the current to be measured as a function of an associated amplitude- and frequency-modulated light source ( 14 ) with a countercurrent of approximately the same size, the amplitude and Frequency modulation of the light source ( 14 ) is controlled by the control ( 3 ). 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Lichtquelle mindestens eine Leucht­ diode (14) eingesetzt wird. 2. The method according to claim 1, characterized in that at least one light-emitting diode ( 14 ) is used as the light source. 3. Vorrichtung zur elektrischen Strommessung, insbesondere zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, mit einem Stromspannungswandler, dessen Eingang mit dem zu mes­ senden Strom beaufschlagbar ist, wobei dem Stromspannungs­ wandler ein Integrationsglied aufgeschaltet ist, und der Ausgang des Stromspannungswandlers mit dem Eingang eines Spannungsfrequenzkonverters verbunden ist, dessen Ausgangs­ frequenzsignal als Kennwert zur Ermittlung der Größe des zu messenden Stroms dient, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Ausgangsfrequenzsignal (c) einem Mikroprozessor (3) zugeführt ist, daß der Mikroprozessor (3) einen Frequenzstromwandler (4) ansteuert, der eine impuls- und amplitudenmodulierte Lichtquelle (14) mit seinem Aus­ gangsstrom beaufschlagt, daß der Lichtquelle (14) eine Foto­ diode (15) zugeordnet ist, die zur Kompensation des zu mes­ senden Stroms den Eingang (7) des Stromspannungswandlers (1) in Abhängigkeit des durch die Lichtquelle (14) hervorgerufe­ nen Lichteinfalls mit einem Gegenstrom beaufschlagt, wobei der Mikroprozessor (3) über den Frequenzstromwandler (4) die Lichtquelle (14) und die damit gekoppelte Fotodiode (15) so ansteuert, daß der zu messende Strom gegen Null kompen­ siert wird, und daß der Mikroprozessor (3) anhand seines Eingangssignals (c) und seines Steuersignals die Größe des zu messenden Strom ermittelt und als digitales Signal ab­ gibt.3. Device for electrical current measurement, in particular for carrying out the method according to claim 1 or 2, with a current-voltage converter, the input of which can be acted upon by the current to be measured, the current-voltage converter being connected to an integration element, and the output of the current-voltage converter with the input a voltage frequency converter is connected, the output frequency signal is used as a characteristic value for determining the size of the current to be measured, characterized in that the output frequency signal ( c ) is supplied to a microprocessor ( 3 ) that the microprocessor ( 3 ) controls a frequency current converter ( 4 ) , which impinges a pulse- and amplitude-modulated light source ( 14 ) with its output current, that the light source ( 14 ) is assigned a photo diode ( 15 ) which, to compensate for the current to be measured, inputs ( 7 ) the current-voltage converter ( 1 ) depending on what is caused by the light source ( 14 ) e NEN incidence of light with a countercurrent, the microprocessor ( 3 ) via the frequency current converter ( 4 ) controls the light source ( 14 ) and the photodiode ( 15 ) coupled to it so that the current to be measured is compensated towards zero, and that Microprocessor ( 3 ) determines the size of the current to be measured on the basis of its input signal ( c ) and its control signal and outputs it as a digital signal. 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Integrationsglied durch einen parallel zum Stromspannungswandler (1) geschalteten Konden­ sator (9) gebildet ist.4. The device according to claim 3, characterized in that the integration element is formed by a capacitor connected in parallel to the current voltage converter ( 1 ) capacitor ( 9 ). 5. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikro­ prozessor (3) Zählfunktionen (3 b) und Speicherfunktionen (3 c) beinhaltet. 5. The device according to at least one of claims 3 or 4, characterized in that the micro processor ( 3 ) includes counting functions ( 3 b ) and memory functions ( 3 c ). 6. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Licht­ quelle durch mindestens eine Leuchtdiode (14) gebildet ist.6. The device according to at least one of claims 3 to 5, characterized in that the light source is formed by at least one light-emitting diode ( 14 ). 7. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom­ spannungswandler (1) durch einen vorzugsweise mit Feldeffekt­ transistoren aufgebautem Operationsverstärker gebildet ist.7. The device according to at least one of claims 3 to 6, characterized in that the current voltage converter ( 1 ) is formed by an operational amplifier preferably constructed with field effect transistors. 8. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Span­ nungsfrequenzkonverter (2) einen Spannungsfrequenzwandler (2 a) und einen diesem nachgeschalteten Impulsformer (2 b) aufweist, der das Frequenzsignal in ein Impulssignal mit Impulsen konstanter Breite und Amplitude umformt.8. The device according to at least one of claims 3 to 7, characterized in that the voltage-frequency converter (2) (a 2), and followed by an pulse shaper comprises a voltage-frequency converter (2 b) of the frequency signal into a pulse signal with pulses of constant width and Reshaped amplitude. 9. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikroprozessor das Impulssignal (2 b) so lange direkt zum Frequenz-Stromwandler leitet, bis eine vorbestimmte Impuls­ zahl pro Zeiteinheit überschritten ist, wonach der Mikropro­ zessor (3) den Frequenz-Stromwandler zusätzlich amplituden­ modulierend ansteuert.9. The device according to at least one of claims 3 to 8, characterized in that the microprocessor passes the pulse signal ( 2 b ) directly to the frequency current converter until a predetermined number of pulses per unit time is exceeded, after which the microprocessor ( 3 ) drives the frequency-current converter additionally modulating amplitude. 10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Mikroprozessor (3) einen Frequenz­ bandwächter (3 a) zur Meldung der Ober- bzw. Unterschreitung eines vorbestimmten Frequenzbands aufweist.10. The device according to claim 9, characterized in that the microprocessor ( 3 ) has a frequency band monitor ( 3 a ) for reporting the exceeding or falling below a predetermined frequency band.
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